11/12 - Verein Ã¶sterreichischer GieÃereifachleute

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GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011) HEFT 11/12 Zwischenbericht zu Cornet Projekt Siron Werkstoff- und fertigungstechnische Grundlagen der Herstellung und Anwendung von hoch Silizium-haltigem Gusseisen mit Kugelgraphit DI Dr. mont G. Gassner, DI W. Bauer, Prof. DI Dr. P. Schumacher, Österreichisches Gießereiinstitut, Leoben, Österreich. Dr.-Ing. H. Löblich, Dr.-Ing. W. Stets, Institut für Gießereitechnik gGmbH, Düsseldorf, Deutschland. Einleitung Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) wird seit 50 Jahren in Europa industriell hergestellt. Die Produktion von GJS betrug im Jahr 2009 1,2 Mio Tonnen. Die Gefüge von GJS sind vielfältig beeinflussbar und das Anwendungspotential ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft. GJS findet Anwendung in vielen Bereichen des Maschinen-, Fahrzeug- und Motorenbaus, der Energie-, Umwelt- und Nukleartechnik. Hierbei müssen die GJS-Sorten den einschlägigen Normen entsprechen. Die technologischen Eigenschaften der in der EN 1563 genormten GJS-Sorten werden über das Ferrit/Perlit-Verhältnis des Matrixgefüges eingestellt. Der Perlit - anteil und seine Verteilung im Gussstück hängen hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung (insbesondere Si, Mn, Cu, Sn) ab sowie von der Kugeldichte (Wanddicke und Impfung) und der Abkühlgeschwindigkeit (Wanddicke und Ausleerzeit). Während das resultierende Ferrit/Perlit-Verhältnis beim überwiegend ferritischen GJS-400-15 bzw. beim überwiegend perlitischen GJS-700-2 und GJS- 800-2, bei grundsätzlich richtiger Zusammensetzungswahl, relativ stabil ist, ist dies bei den Sorten GJS-500-7 und GJS-600-3, mit ca. 40 bis 70 % Perlit, weniger der Fall. Insbesondere bei hohen Wanddickenunterschieden können der Perlit anteil bzw. die Härte im Gussstück stark variieren, so dass enge Härtetoleranzen im Gussstück bzw. Maßtoleranzen am Fertigteil, oft schwierig einzuhalten sind. Dieses Problem kann durch Erhöhung des Siliziumgehaltes gelöst oder stark minimiert werden: Silizium ist ein Ferritbildner (vermindert also den Perlitanteil) und erhöht die Festigkeit und Härte des Ferrits durch Mischkristallverfestigung. Durch Erhöhung des Siliziumgehaltes von (prozess- und wanddickenabhängig) üblicherweise ca. 2,2 bis 2,8 % auf > 3,5 % Si entsteht ein praktisch voll ferritisches Matrixgefüge mit einer den teilperlitischen Sorten vergleichbaren Festigkeit. Obwohl durch die Mischkristallverfestigung des Ferrits bei erhöhtem Siliziumgehalt zwar auch dessen Verformungsvermögen abnimmt, überwiegt hinsichtlich der Auswirkung auf die Bruchdehnung im Zugversuch die Beseitigung des Perlitanteiles. Der Nettoeffekt dieser Maßnahme ist eine Festigkeit EN-GJS- 450-18 500-14 600-10 Rm N/mm 2 min. 450 500 600 Rp0,2 N/mm 2 min. 350 (310) 400 (320) 450 (370) A % 18 (10) 14 (7) 10 (3) Tabelle 1: Übersicht der mechanischen Eigenschaften der neu aufgenommenen Sorten der prEN 1563. In Klammer Vergleichswerte zu den bestehenden Normsorten. wie bei GJS-500/600 bei gleichzeitig höherer Bruchdehnung (weil voll ferritisch), und das weitgehend wanddickenunabhängig! Die Vorteile dieser Maßnahme für den Gussstückanwender sind geringere Härtestreuungen im Gussstück und folglich verbesserte und gleichmäßigere Bearbeitbarkeit sowie leichtere Einhaltung enger Maßtoleranzen. Der Vorteil für die Gießereien ist die erleichterte Erfüllung enger Härtetoleranzen bei hohen Wanddickenunterschieden. Ein weiterer Vorteil könnte auch eine höhere Toleranz gegenüber perlit- und karbidstabilisierenden Begleitelementen sein und somit mehr Spielraum bei den Einsatzmaterialien geben, was aber noch nicht untersucht wurde. Die in Revision befindliche Neuauflage der EN-1563 wird die auf diese Weise herzustellenden Sorten GJS-450-18, GJS- 500-14 und GJS-600-10 beinhalten (siehe Tabelle 1), so dass von einem raschen Anstieg der Anwendung auszugehen ist. Das Projekt wird im Rahmen des Förderprogrammes ‚Cornet‘ in Zusammenarbeit mit der Forschungsvereinigung Gießereitechnik e.V. Projektleitung Institut für Gießereitechnik gGmbH, Düsseldorf, (IfG) abgearbeitet. Die Projektleitung in Österreich obliegt dem Österreichischen Gießerei Institut (ÖGI). Unter der Leitung des WKO Fachverbands der Gießereiindustrie sind im KMU Beirat 7 österreichische KMUs am Projekt beteiligt. CORNET wendet sich speziell an KMUs, welche keine/wenig F&E betreiben bzw. dafür keine Kapazitäten haben. In einer Cornet-Partnerschaft sind mehrere bzw. mindestens zwei nationale Branchenfachverbände, F&E-Einrichtungen (wie das ÖGI) und jeweils mindestens fünf KMUs in einer Planungs- und Durchführungspartnerschaft vereint. Auf nationaler Ebene wird das Forschungsvorhaben vom Branchenfachverband eingereicht, von den KMUs mitgestaltet und durch die branchenspezifischen F&E-Einrichtungen durchgeführt. Die geförderte Projektlaufzeit beträgt zwei Jahre. Der Technologietransfer erfolgt zeitnah in die Industrie, insbesondere zu KMU, durch technische Beratung sowie regelmäßige Veranstaltung von Seminaren, Tagungen und Veröffentlichungen. Auszug aus derzeit laufenden Untersuchungen: Mechanische Kennwerte Die neuen Normsorten wurden in Kleinschmelzen am ÖGI und IfG hergestellt. In Folge wurden Zugproben aus den mit abgegossenen Y2 Platten gefertigt und bei Raumtemperatur geprüft. Allgemein werden die Vorgaben aus dem Normentwurf prEN 1563 erreicht, siehe Abb. 1. Erste Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Werte sehr hohe Abhängigkeit von der Ausbildung des Graphitanteils an Form III zeigen. Die Auswertung der Streckgrenzen weist auf eine deutliche Verschlechterung der Duktilität bei Siliziumgehalten über 4,3% hin, sodass hier eine erste prozessabhängige Grenze gezogen werden kann. Abb. 2: Schematische Darstellung des Drossversuchs. 296
HEFT 11/12 GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011) Abb.1 (links): statische Kennwerte Rp 0.2 , Rm und A in Abhängigkeit vom Si-Gehalt der Schmelze. Abb. 3 (oben): Versuchsergebnisse der Drossversuche mit verschiedenen Si-Gehalten. Die genauen Zusammenhänge der Ausbildung der Mikrostruktur, insbesondere der Graphitform, verbunden mit gießtechnischen Prozessparametern und verwendeter Materialien, sind Gegenstand von derzeit laufenden Untersuchungen. Neben der normgemäßen Ermittlung der werkstofftechnischen Eigenschaften der neuen Normsorten werden derzeit auch gießtechnologische Eigenschaften, wie Drossverhalten, Formfüllungs- und Speisungsverhalten, untersucht. Hierzu wurden eigens spezielle technologische Versuchsanordnungen entworfen bzw. bekannte Versuchsaufbauten adaptiert. Auszug aus derzeit laufenden Untersuchungen: Drossverhalten „Dross“ ist ein generischer Begriff für Oxidationsprodukte der Schmelze (Schlacken), welche sich laufend vom Abstich bis zur Formfüllung bilden, wo und wann immer die Schmelze Luftkontakt hat. Die so genannten „Drossfehler“ sind Einschlüsse derartiger Schlacken im Gussstück, insbesondere in oder unter der Gussstückoberfläche. Die am ÖGI zur Beurteilung der Neigung zu Drossbildung entwickelte Versuchsanordnung besteht aus einem nach oben hin offenen, zylindrischen Schmelzereservoir im Oberteil und einem Mittelteil mit einem als Kern geformten zentralen Auslauf in einen Filter im Unterteil, siehe Schemata in Abb. 2. Nach dem Filter läuft die Schmelze in einen auf einer digitalen Waage stehenden Auffangbehälter aus. Der Auslaufquerschnitt nach dem Filter ist kleiner bemessen als der Einlaufquerschnitt. Durch den tangential angeordneten Lauf und den zentralen Auslauf bildet die Schmelze einen Drehwirbel mit Sog am Auslauf aus, der einerseits die Oberflächenoxidation und andererseits das Einsaugen gebildeter Schlacke ermöglichen soll. Zur Minimierung des Einflusses der ferrostatischen Druckhöhe auf das Ergebnis ist der Auslauf im Oberteil als „Überlauf“ ausgeführt bzw. wird die Gießleistung aus der Pfanne so reguliert, dass das Schmelzeniveau über der Auslaufkante konstant bleibt. Die Bedingungen für die Bildung von Dross und dessen Mitführung mit der Schmelze sind somit viel günstiger als in der Praxis, wo durch Druckbeaufschlagung und rasche Füllung des Gießsystems genau das verhindert werden soll. Infolge der geringen Druckhöhe und des kleinen Auslaufquerschnittes beträgt die Versuchsdauer für 40 kg Durchflussmenge 1 bis 1½ Minuten, wodurch eine möglichst starke Oxidation der Schmelzeoberfläche bewerkstelligt werden soll. Die Gießleistung wurde mit einer digitalen Waage ermittelt. Die Gewichtsaufzeichnungen in Abb. 3 zeigen ein Zusetzen der Filter bei 2,5 % Si deutlich. Während bei den Versuchen mit 4 % Si der lineare Kurventeil praktisch bis zum Versuchsende reicht (die Gießleistung also konstant blieb), krümmen die Kurven bei 2,5 % Si bereits ca. 20 Sekunden vor Gießende deutlich, die Gießleistung nahm bis zur Blockade des Filters kontinuierlich ab. Das Ergebnis ist somit konträr zur Befürchtung, dass durch Erhöhung des Siliziumgehaltes Drossfehler begünstigt würden. Nach derzeitigem Stand der Untersuchungen kann also festgehalten werden, dass bei Erhöhung des Siliziumgehaltes das Risiko für Drossfehler keinesfalls ansteigt. Weiterer Projektausblick Im Projektzeitrahmen bis Mitte 2012 laufen derzeit am ÖGI und IfG noch Untersuchungen zu folgenden Schwerpunktthemen: • Vergleichende Untersuchung der Bearbeitbarkeit von Gussteilen aus den Werkstoffen GJS-500-7 und GJS-500-14 sowie GJS-600-3 und GJS-600-10 • Ermittlung von Grenzgehalten karbidbildender Legierungs- und Begleitelemente (Cr, V, Ti) hinsichtlich der Entstehung von Carbiden. • Ermittlung gießtechnischer Eigenschaften: Schwindungsverhalten, (Hochtemperatur-Dilatometeruntersuchungen imBereich Schmelze/Feststoff), • Erarbeitung einer Impftechnologie zur Einstellung des angestrebten Werkstoffgefüges (Graphitkugelzahl und -gestalt) • Einflüsse auf Bildung und Vermeidung von Abweichungen in der Graphitform bei hohen Si-Gehalten • Untersuchungen zur Vermeidung von Magnesiumsilikaten (Dross) und MgO- Einschlüssen • Ermittlung der Schweißeignung und des Verhaltens der Werkstoffe beim Schweißen. • Qualifizierung der GJS-Sorten mit erhöhten Si-Gehalten für einen Einsatz bei tieferen und höheren Tempera turen (statische und zyklische Werkstoffkennwerte zwischen –40 und +400 °C). • Ermittlung thermophysikalischer und thermomechanischer Eigenschaften als Grundlage für die Simulation des Gießens, Erstarrens und der Eigenspannungsbildung (Wärmeleitung, -kapazität, Warmdehngrenze, thermische Dehnung) • Verifizierung der Werkstoffdaten für die Simulationssoftware Kontaktadresse: ÖGI Österreichisches Gießerei-Institut A-8700 Leoben | Parkstraße 21 Tel.: +43 (0)3842 43101-0 | Fax: DW -1 E-Mail: office@ogi.at | www.ogi.at 297
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